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特殊合金钢渗氮工艺技术
发布时间:2019-10-25 15:49 来源:SUJ2轴承钢

  渗氮工艺的作用和类别

  渗氮是一种以氮原子渗入钢件表面 ,形成一层以氮化物为主的渗层的化学热处理方法。渗氮有三个基本过程:活性氮原子的产生、表面的吸收和氮原子的扩散。渗氮不仅可以提高工件表面的硬度、耐磨性以及耐疲劳性,而且还可以提高工件在腐蚀介质中工作的耐蚀性。

  常用的渗氮方法有:固体渗氮 、 液 体 渗氮、气体渗氮、脉冲气体渗氮 (气体周期改变)、直流等离子体渗氮(又称辉光离子氮化)、脉冲等离子体渗氮(电源周期供电)等。从渗入的机理来看,主要有两大类:第一类基于浓度梯度:如液体渗氮、气体渗氮等,这类渗氮通常采用电炉将采用的含氮介质加热,通过含氮介质传递热能,使被处理零件达到处理温度,以浓度梯度作为氮元素渗入的驱动力。第二类基于电场的作用:如直流等离子体渗氮、脉冲等离子体渗氮等。在一定的真空条件下,通过微量的含氮气体,利用辉光放电产生电子和离子,离子直接轰击零件传递热能,使被处理零件达到处理温度,通过离子、活性原子与表面的复杂作用将氮元素渗入金属表面。氮元素与零件的表面相互作用不尽相同,但在渗入金属内部后渗层深度的增长仍然符合扩散定律。

  调质处理后零件基体为回火索氏体组织,渗氮层深度可提高20%以上,硬度也有所提高,进而提高基体强度和韧性及疲劳性能。为了减少零件渗氮后变形,在半精加工和精加工中增加一次消除加工应力退火处理。温度一般取550~600℃,保温3~5h,变形量可控制在0.1%以下。

  常规渗氮工艺

  ① 一段渗氮法、二段渗氮法、三段渗氮法

  一段渗氮法又称等温渗氮。作为最初的渗氮工艺是在同一渗氮温度下,长时间保温的一种渗氮方法。渗氮温度一般保持在480~530℃之间。工艺操作简单,工件变形小;缺点是由于较长的工艺时间,渗层浅,易产生脆性层。为了缩短渗氮的时间,且保持较高的硬度,二段渗氮方法得到发展。二段渗氮工艺首先在500℃左右渗氮一段时间,使工件表面形成高度弥散的氮化物颗粒,保证一定的硬度。后升高到550℃左右继续渗氮,加速氮原子扩散,以缩短渗氮时间,变形较一段渗氮大。三段渗氮是在二段氮化的基础上发展起来的,进一步缩短氮化时间。

  ② 催渗渗氮

  为了缩短渗氮的时间,在渗氮介质中添加一种或几种起催渗作用的物质,即催渗渗氮:如加氮渗氮、加钛渗氮等。加氮渗氮是在氨气中加入氮气,氮气占混合气体的30%~90%。不仅可以显著缩短渗氮时间,而且还改善渗层组织,降低脆性。加钛渗氮是在工件上镀一层钛后再渗氮,也可提高渗速。近年来发展起一种新的渗氮方法——电解气相催渗渗氮。即将一定成分的电解气体进入渗氮炉中起到催渗作用,一般工艺时间可以缩短1/2~2/3。

  ③ 预氧化催渗气体渗氮

  气体渗氮在工业上应用较为广泛,但渗氮周期长,成本高。研究表明,工件经短时氧化后,表面会形成氧化薄膜,具有较强的催渗作用,能使N原子的渗入显著加快。如在580℃下经预氧化,渗氮两次循环处理工艺(预氧10min,渗氮3h)可使采用渗氮温度580℃,时间为6h时所形成的0. 29mm渗氮层厚度提高到0. 55mm,使氮化层的硬度梯度分布显著获得改善。

  ④ 等离子渗氮及复合化

  离子渗氮是将工件置于辉光放电装置的真空容器中,以工件为阴极,容器壁或另设金属板作为阳极,充一稀薄的含氮气体,在直流高压的电场的作用下使气体原子电离成离子撞击工件阴极表面上,并向内部扩散形成渗氮层的过程。离子氮化不仅能实现可控氮化、可局部硬化、使用纯氢、氮气为气源无环境污染等优点,且离子渗氮不生成脆性相,渗层致密,与气体渗氮相比具有更高的耐磨性、耐蚀性和抗疲劳性能。离子渗氮要比气体渗氮渗速快、热效率高、设备维修费用低。近年来,离子渗氮技术发展迅速,离子渗氮与其他热处理工艺相结合,进行工件表面改性,提高工件的硬化质量。如离子氮化与PVD离子镀覆TiN工艺复合,可得到结合力良好的复合镀层。处理后工件表面硬度极高,而且硬度梯度平缓,具有一定厚度硬度较高的扩散层支撑,有利抗磨性能提高,复合镀层有良好的回火稳定性,具有一定的耐蚀性。应用于冷作模具和热作模具等。除此之外,还有感应淬火+离子渗氮复合处理;激光+离子氮化复合处理;表层硬化质量的提高同时,其耐磨性、耐蚀性也随之提高。此类复合处理作为新的表面处理技术广泛地应用于工模具中。

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